物聯(lián)網(wǎng)時代傳感器低成本化發(fā)展的思考

引言

物聯(lián)網(wǎng)號稱是繼計算機、通信網(wǎng)絡(luò)之后的信息產(chǎn)業(yè)第三次浪潮，有研究機構(gòu)預(yù)計，10年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)就可能大規(guī)模普及,這一技術(shù)將會發(fā)展成為一個上萬億元規(guī)模的高科技市場，其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍。

物聯(lián)網(wǎng)是全球信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢之一，也是我國“十二五”規(guī)劃的重點發(fā)展方向。目前，國家正在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，2010到2015年為物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)入期，在主導(dǎo)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)物物互聯(lián)；2015年到2020年為成長期，物聯(lián)網(wǎng)將實現(xiàn)半智能化；2020年之后為發(fā)展期，物聯(lián)網(wǎng)將全面實現(xiàn)智能化。預(yù)計到2015年的市場規(guī)模就會超過2000億元，2025年將達到7500億元，年增長率超過30%,市場前景將超過計算機、互聯(lián)網(wǎng)、移動通訊等市場。

1物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)

按照國際電信聯(lián)盟(ITU)的定義，物聯(lián)網(wǎng)主要解決物到物(ThingtoThing，T2T)、人到物(HumantoThing，H2T)、人到人(HumantoHuman，H2H)之間的互連［2］?物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈可以細分為標識、感知、處理、信息傳送、控制管理五個環(huán)節(jié),每個環(huán)節(jié)的關(guān)鍵技術(shù)分別為RFID、傳感器、智能芯片和電信運營商的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)包括三個層次：一個是感知網(wǎng)絡(luò)，即以二維碼、RFID、傳感器為主來實現(xiàn)“物”的識別；二是傳輸網(wǎng)絡(luò)，即通過現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)、通信網(wǎng)或者下一代互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和計算；三是應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)，也就是各種應(yīng)用服務(wù)，包括輸入輸出控制終端以及手機等終端。

感知層是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)全面感知的基礎(chǔ)，包括二維碼標簽和識讀器、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、GPS、傳感器和M2M終端、傳感器網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)關(guān)等。要解決的重點問題是感知和識別物體，采集和捕獲信息，要突破的方向是具備更敏感、更全面的感知能力，解決低功耗、小型化和低成本的問題。物聯(lián)網(wǎng)感知層的技術(shù)結(jié)構(gòu)特征如表1所列。

網(wǎng)絡(luò)層主要用于實現(xiàn)更加廣泛的互聯(lián)功能，它能夠把感知到的信息無障礙、高可靠、高安全性地進行傳送，但它需要傳感器網(wǎng)絡(luò)與移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合。各種通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)形成的融合網(wǎng)絡(luò)，被普遍認為是最成熟的部分，除網(wǎng)絡(luò)傳輸之外，還包括網(wǎng)絡(luò)的管理中心和信息中心，用以提升對信息的傳輸和運營能力，也是物聯(lián)網(wǎng)成為普遍服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施。有待突破的方向是向下與感知層的結(jié)合，向上與應(yīng)用層的結(jié)合。表2所列是物聯(lián)網(wǎng)傳輸層的技術(shù)結(jié)構(gòu)特征。

表1感知層技術(shù)結(jié)構(gòu)特征

表2傳輸層技術(shù)結(jié)構(gòu)特征

應(yīng)用層主要包含應(yīng)用支撐平臺子層和應(yīng)用服務(wù)子層，是將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)專業(yè)技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)廣泛智能化應(yīng)用的解決方案集，用于提供物物互聯(lián)的豐富應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)通過應(yīng)用層最終實現(xiàn)信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合，對國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有廣泛影響。現(xiàn)在的關(guān)鍵問題在于信息的社會化共享、開發(fā)利用以及信息安全的保障。

2傳感器的地位及應(yīng)用

傳感器是信息感知和傳遞的源頭、是信息能量的轉(zhuǎn)換器,是一項使能技術(shù)。

社會信息化正在成長，社會網(wǎng)絡(luò)化正在普及，信息產(chǎn)業(yè)已成為國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，傳感產(chǎn)業(yè)不僅成為新興戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)的熱點和制高點，還給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來“綠色或生態(tài)革命”人類為實現(xiàn)智慧地球、數(shù)字城市、低碳經(jīng)濟等智能產(chǎn)業(yè)等雄心勃勃愿景，要建立人/物互聯(lián)網(wǎng)，就需要巨量的傳感器來知曉和掌控海量信息。傳感器產(chǎn)業(yè)雖受幾次全球宏觀經(jīng)濟危機或疲軟連累，增速有起伏，但其仍是持續(xù)增長的“朝陽”產(chǎn)業(yè)。幾十年來，“東方不亮西方亮”，產(chǎn)業(yè)整體平均增長速度在10%以上，據(jù)預(yù)測，未來10年，傳感器需求市場的規(guī)模將超萬億，年平均增長速度超50%，70億人人均1000支傳感器。

傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域涉及機械制造、工業(yè)過程控制、汽車電子、通信、消費電子和專用設(shè)備等。

在世界范圍內(nèi)，傳感器市場增長最快的是汽車市場的需求，占第二位的是過程控制市場，前景看好的是通訊市場。

汽車控制系統(tǒng)電子化水平的關(guān)鍵在于采用傳感器的數(shù)量和水平。目前，一輛普通家用轎車上大約會安裝幾十到近百只傳感器，豪華轎車傳感器數(shù)量可多達200余只，種類達幾十種。汽車和通信市場所用傳感器約占整個市場的三分之一。圖1所示是汽車控制系統(tǒng)中傳感器的應(yīng)用示意圖。

我國是全球白家電（包括家用空調(diào)、電冰箱和洗衣機）生產(chǎn)和出口大國，2009年的總產(chǎn)量達3億多臺，所用傳感器約占市場的五分之一。

傳感器在醫(yī)療、環(huán)保、氣象等專用電子設(shè)備中的應(yīng)用增

長快速，所用傳感器占市場份額的15%左右。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，用于對各種參量進行信息采集和簡單加工處理的設(shè)備，被稱為物聯(lián)網(wǎng)傳感器。傳感器可以獨立存在,也可以與其他設(shè)備以一體方式呈現(xiàn)，但無論哪種方式，它都是物聯(lián)網(wǎng)中的感知和輸入部分，用來進行各種數(shù)據(jù)信息的采集和簡單的加工處理，并通過固有協(xié)議，將數(shù)據(jù)信息傳送給物聯(lián)網(wǎng)終端處理。如通過RFID進行標簽號碼的讀取，通過GPS得到物體位置信息，通過圖像感知器得到圖片或圖像，通過環(huán)境傳感器取得環(huán)境溫濕度等參數(shù)。傳感器屬于物聯(lián)網(wǎng)中的傳感網(wǎng)絡(luò)層，它作為物聯(lián)網(wǎng)的最基本一層，具有十分重要的作用。因此，傳感網(wǎng)絡(luò)層中傳感器的精度是應(yīng)用中重點要考慮的一個實際參數(shù)。

在物聯(lián)網(wǎng)的大概念下，一個泛在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，隨著參照物的不同，傳感器可以是一個“大”的“智能物件”，它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車，甚至是一個衛(wèi)星或太空探測器。

雖然物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈包括傳感器和芯片供應(yīng)商、應(yīng)用設(shè)備提供商、網(wǎng)絡(luò)運營及服務(wù)提供商、軟件與應(yīng)用開發(fā)商和系統(tǒng)集成商，但是，作為金字塔的塔座，傳感器仍將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。因此，“傳感器是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支撐、應(yīng)用的支撐和未來泛在網(wǎng)的支撐，傳感器感知了物體的信息，RFID賦予它電子編碼，傳感網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的演變是信息技術(shù)發(fā)展的階段表征。”

由于涉及領(lǐng)域面廣，涵蓋范圍大，對于中國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)進行準確的估計和預(yù)測是相當(dāng)困難的。從目前與物聯(lián)網(wǎng)的幾個重要相關(guān)的細分市場(傳感器市場、RFID市場、M2M市場等)的發(fā)展狀況，可以對整體的未來有一個初步的粗略判斷。圖2所示是對2010—2020年物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)三大細分市場規(guī)模的預(yù)測。由圖可見，中國物聯(lián)網(wǎng)整體產(chǎn)業(yè)在2015年的市場規(guī)模將超過2000億元，2025年將達到7500億元，年增長率超過30%。到2050年，傳感器將在生活中無處不在。

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年份

圖2物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)三大細分市場規(guī)模預(yù)測(2010—2020年)

3傳感器技術(shù)對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的意義

就目前我國對于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的成熟度來看，通信技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)相對成熟，而傳感技術(shù)平臺的搭建卻相對比較薄弱，因此，發(fā)展傳感器技術(shù)不僅是我國實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的關(guān)鍵，也是全面發(fā)展戰(zhàn)略目標的關(guān)鍵。

在物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建初期，在大量基礎(chǔ)設(shè)備生產(chǎn)尤其是自動化生產(chǎn)過程中，要用各種傳感器來監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達到質(zhì)量標準。因此，可以說，沒有優(yōu)良的傳感器技術(shù)，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)；沒有傳感器技術(shù)支持，物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)造也將失去基礎(chǔ)。

傳感器的性能決定物聯(lián)網(wǎng)性能。傳感器是物聯(lián)網(wǎng)中獲得信息的唯一手段和途徑，傳感器采集信息的準確、可靠、實時將直接影響到控制節(jié)點對信息的處理與傳輸。傳感器的特性、可靠性、實時性、抗干擾性等性能，對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的性能起到舉足輕重的作用。

傳感器升級可以加速網(wǎng)絡(luò)升級，傳感器技術(shù)的升級換代將提升網(wǎng)絡(luò)的升級換代。當(dāng)信息采集用第一代模擬傳感器時,會產(chǎn)生第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)信息采集仍用第一代模擬傳感器,控制站之間采用數(shù)字通信時，會產(chǎn)生第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)信息采集采用第二代數(shù)字傳感器或第三代智能傳感器時，控制和通信采用全數(shù)字化技術(shù)，從而將產(chǎn)生第三代傳感器網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)信息采集采用第四代網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器時，就產(chǎn)生了物聯(lián)網(wǎng)。

傳感器產(chǎn)業(yè)化決定著物聯(lián)網(wǎng)市場的應(yīng)用前景。未來10年,物聯(lián)網(wǎng)將有上萬億元的高科技市場，其產(chǎn)業(yè)要比互聯(lián)網(wǎng)大30倍。在大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時，如果不發(fā)展傳感器技術(shù)，則大量傳感器勢必要從國外進口，傳感器市場被國外占有，不僅經(jīng)濟損失巨大，而且國家安全無保障。相反，如果在發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)的同時，從一開始就考慮傳感器的同步、協(xié)調(diào)發(fā)展，也許開始需要多花費一些資金，但從長遠看是十分有利的，因為這樣既提升了國產(chǎn)傳感器的制造水平，滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求，保證了國內(nèi)市場，同時還培養(yǎng)了一批傳感技術(shù)人才，縮小了與國外在傳感器方面的差距。

4傳感器技術(shù)的低成本化發(fā)展思考

傳感器產(chǎn)業(yè)規(guī)模并非與信息技術(shù)的另兩個支撐技術(shù)(計算機和通訊技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展速度)并駕齊驅(qū)，甚至不相稱。即使在MEMS傳感技術(shù)成熟后，也沒有達到半導(dǎo)體器件鼎盛時期的速度，實際上也遠沒有出現(xiàn)“井噴”的預(yù)期。

2011年，傳感器的全球市場銷售額約700億美元，被寄予厚望的MEMS傳感器盡管在MEMS市場獨占鰲頭，也未到100億美元，貢獻不到1/5,而半導(dǎo)體器件全球市場的銷售額為3000億美元。除如手機等少量消費電子和汽車終端應(yīng)用領(lǐng)域外，傳感器基本還是國防、工業(yè)流程、能源勘/采、計量等“富貴”領(lǐng)域和命脈經(jīng)濟行業(yè)的專用品，在其他各類領(lǐng)域和行業(yè)，新的普及率也沒有期待值高。

既然用傳感器總比不用好，為什么在許多領(lǐng)域普及度不如預(yù)期廣泛呢？面對如此海量的需求前景，為什么產(chǎn)業(yè)規(guī)模增長未出現(xiàn)激增？有的領(lǐng)域沒有成熟到使用新技術(shù)，是結(jié)構(gòu)性調(diào)整迫切性不突出嗎？價格降幅大，消減用量增長顯現(xiàn)？是相關(guān)因素？其實這些都是次要原因，主要原因是使用成本高。有的領(lǐng)域用不起，傳感器是奢侈品(如對家電產(chǎn)業(yè)、農(nóng)業(yè)等)；有的行業(yè)覺得用傳感器得不償失，利潤附加值不抵增加的使用成本，另外就是麻煩，也增加了售后服務(wù)成本。這類似于節(jié)能燈泡的推廣應(yīng)用,其5~8倍的普通燈泡價格,大大限制了平民百姓廣泛的認同度。

在信息化、網(wǎng)絡(luò)化時代，人/物互聯(lián)網(wǎng)要泛布全球和人類各個角落，傳感器應(yīng)降低身價，由奢侈品轉(zhuǎn)型為通用品、消費品、日用品、耐用品。

事實上，通過降低成本來提高性價比，換取用量激增的成功案例還是比較多的。美國AD公司的單軸加速度傳感器價格過去為5美元，現(xiàn)在的三軸加速度傳感器則為1美元左右,現(xiàn)在汽車、智能手機和游戲機已廣泛大量采用，尤其是后兩者,現(xiàn)在的用量已接近10億只。圖3所示是過去幾年隔離液封壓力傳感器敏感器件在國內(nèi)的價格降勢圖。

圖3隔離液封壓力傳感器敏感器件在國內(nèi)價格降勢圖傳感器的綜合成本分內(nèi)、外成本，即傳感器廠商的制造

成本與直接用戶的使用成本。制造成本追求傳感器制造過程及結(jié)果的量產(chǎn)率、成品率、一致性，追求最大限度的單位材料、能源、人力的產(chǎn)出率；使用成本則是廠商以用戶的成本為中心，這已經(jīng)不是做單純的傳感器制造商，而是在賣產(chǎn)品的同時，還要以產(chǎn)品形式向用戶提供傳感器服務(wù)(如選型、安裝、維護等)。

傳感器的制造過程是使用、占用、消耗資源最大的流程，主要包括敏感芯片/元件加工、封裝/組裝、檢測/試驗。

敏感芯片/元件加工是低成本化最早、成熟度最高、最有量產(chǎn)規(guī)模效益的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)現(xiàn)在越來越多的種類已經(jīng)成功移植半導(dǎo)體IC制造工藝，從而形成了獨立的微機械加工技術(shù)一MEMS工藝，這主要體現(xiàn)在：

單體微型化：邊長與面積關(guān)系，材料利用率成幾何增速；

基片大尺度化和單批基片數(shù)量增多，產(chǎn)出量和材料、能源、人力利用率成幾何增速；

扁平化在非平面結(jié)構(gòu)已有突破，如薄膜線圈；

設(shè)備儀器工藝控制能力出眾超群，成品率、一致性、可靠性、壽命成數(shù)量級增長。

意法半導(dǎo)體(STM)是目前世界上最大的MEMS傳感器制造廠商，2011年的產(chǎn)值為6億多美元，8英寸線日產(chǎn)陀螺、加速度、壓力、微麥的敏感芯片超過300萬只，SMI公司6英寸片上壓力敏感芯片24000只，每只芯片切割后的邊長尺寸為0.65mm?

中科院微系統(tǒng)所發(fā)明的一種名為“微創(chuàng)手術(shù)”專利，每只絕壓敏感芯片切割后的邊長尺寸小于0.5mm，形似“芯?！薄＿@種工藝專利是頂面加工，無需支撐襯底材料，更易兼容IC工藝,單片平均價格在10美分以下。

傳感器制造的后道工序封裝/組裝、檢測/試驗占到整個傳感器制造成本的70%以上。封裝/組裝是材料、能源、人力利用率最低制造流程，減小單件耗材量、縮短單件耗時率，多采用專用高速自動化設(shè)備，少用人工，改善工藝兼容性是這個環(huán)節(jié)降低成本的必然要求。

傳感器的使用成本對市場依附極大，涵蓋了產(chǎn)品的選型成本、供貨周期、用戶產(chǎn)能能力、商業(yè)信譽、使用成本、維護成本等方面，但可以通過提供打包、交鑰匙的服務(wù)方案，具有核心芯片、主導(dǎo)產(chǎn)品的自主可控能力，主導(dǎo)產(chǎn)品實施適度庫存生產(chǎn)、強化新產(chǎn)品設(shè)計能力，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計正確率以及高性價比產(chǎn)業(yè)技術(shù)來得到解決。

5結(jié)語

在國家大力推動工業(yè)化與信息化兩化融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)將是工業(yè)乃至更多行業(yè)信息化過程中一個比較現(xiàn)實的突破口。一旦物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模普及，無數(shù)的物品需要加裝更加小巧和智能的傳感器，用于動物、植物、機器等物品的傳感器與電子標簽及配套的接口裝置數(shù)量將大大超過目前的手機數(shù)量。僅就消費電子傳感器而言，目前平均市場價格為1美元，10年后將降到0.5美元，7萬億支需求將展示超萬億美元的市場機遇。因此，中國傳感器產(chǎn)業(yè)要為能分切全球市場大“蛋糕”準備好“切刀”，為站在靠前位置做好準備。

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